JP2019221048A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電子部品の長寿命化を図ることができる電力変換装置を提供すること。【解決手段】電力変換装置１は、半導体モジュール２と、半導体モジュールを冷却する冷却器３と、半導体モジュール２と直接又は間接的に接続された電子部品４と、外部機器と接続される高圧コネクタ６と、高圧コネクタ６と電子部品４との間を接続するコネクタ接続バスバー７と、を有する。コネクタ接続バスバー７の少なくとも一つは、冷却器３に隣接配置された放熱バスバー７０である。【選択図】図１

Description

本発明は、電力変換装置に関する。

インバータ等の電力変換装置は、半導体モジュールの他に、コンデンサ、電流センサ、リアクトル等の電子部品を有する。これらの電子部品は、ケース内に配置されている。そして、ケースには、外部の直流電源や、交流負荷等との電気的接続を図るための、入力コネクタや出力コネクタ等の高圧コネクタが配設されている。

特許文献１に開示された電力変換装置においては、リアクトルの熱がコンデンサへ伝わることを抑制すべく、リアクトルとコンデンサとを接続するバスバー及びリアクトルと高圧コネクタとを接続するバスバーとの形状等を工夫することが検討されている。

特開２０１３−１６９０７５号公報

しかしながら、電力変換装置の小型化、高出力化に伴い、高圧コネクタの発熱量が増大するという課題がある。すなわち、高圧コネクタの発熱量が増大すると、ケース内において高圧コネクタと接続されたバスバーを介して、コンデンサ等の電子部品へ熱が伝わりやすくなる。そうすると、電力変換装置の大電力化に伴い、電子部品の短寿命化が懸念される。

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、電子部品の長寿命化を図ることができる電力変換装置を提供しようとするものである。

本発明の一態様は、半導体モジュール（２）と、
上記半導体モジュールを冷却する冷却器（３）と、
上記半導体モジュールと直接又は間接的に接続された電子部品（４）と、
外部機器と接続される高圧コネクタ（６）と、
上記高圧コネクタと上記電子部品との間を接続するコネクタ接続バスバー（７）と、を有し、
上記コネクタ接続バスバーの少なくとも一つは、上記冷却器に隣接配置された放熱バスバーである、電力変換装置（１）。
にある。

上記電力変換装置においては、上記高圧コネクタと上記電子部品との間を接続するコネクタ接続バスバーの少なくとも一つが、上記冷却器に隣接配置された放熱バスバーである。それゆえ、高圧コネクタの熱が、コネクタ接続バスバーに伝わっても、その熱の少なくとも一部を、放熱バスバーから冷却器へ放熱することができる。これにより、コネクタ接続バスバーを介して電子部品へ伝わる熱を抑制することができる。その結果、電子部品の長寿命化を図ることができる。

以上のごとく、上記態様によれば、電子部品の長寿命化を図ることができる電力変換装置を提供することができる。
なお、特許請求の範囲及び課題を解決する手段に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであり、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

実施形態１における、Ｚ方向から見た電力変換装置の断面説明図。 図１のII−II線矢視断面説明図。 図１のIII−III線矢視断面説明図。 実施形態２における、Ｚ方向から見た電力変換装置の断面説明図。 実施形態３における、Ｚ方向から見た電力変換装置の断面説明図。 実施形態４における、Ｚ方向から見た電力変換装置の断面説明図。

（実施形態１）
電力変換装置に係る実施形態について、図１〜図３を参照して説明する。
本実施形態の電力変換装置１は、図１に示すごとく、半導体モジュール２と、冷却器３と、電子部品４と、高圧コネクタ６と、コネクタ接続バスバー７と、を有する。

冷却器３は、半導体モジュール２を冷却する。電子部品４は、半導体モジュール２と直接又は間接的に接続されている。高圧コネクタ６は、外部機器と接続されるコネクタである。コネクタ接続バスバー７は、高圧コネクタ６と電子部品４との間を接続するバスバーである。
コネクタ接続バスバー７の少なくとも一つは、冷却器３に隣接配置された放熱バスバー７０である。

本形態の電力変換装置１は、高圧コネクタ６として、入力コネクタ６１と、出力コネクタ６２とを有する。入力コネクタ６１は、直流電源に接続された電源配線のコネクタが、接続されるよう構成されている。出力コネクタ６２は、回転電機等の交流負荷に接続された負荷配線のコネクタが、接続されるよう構成されている。

そして、電力変換装置１は、コネクタ接続バスバー７として、入力コネクタ６１に接続された複数の入力バスバー７１と、出力コネクタ６２に接続された複数の出力バスバー７２とを有する。
本形態においては、コネクタ接続バスバー７のうち、入力バスバー７１が、冷却器３に隣接配置された放熱バスバー７０である。

また、本形態においては、電子部品４として、電流センサ４１とコンデンサ４２とを有する。入力コネクタ６１とコンデンサ４２とが、入力バスバー７１にて接続されている。また、出力コネクタ６２と電流センサ４１とが、出力バスバー７２にて接続されている。なお、出力バスバー７２は、出力コネクタ６２と半導体モジュール２とを接続しているが、出力バスバー７２の一部に電流センサ４１が配設されている。それゆえ、出力バスバー７２の一部によって、出力コネクタ６２と電流センサ４１とが接続されていることとなる。

冷却器３は、半導体モジュール２と共に積層された複数の冷却管３１を有している。複数の冷却管３１と半導体モジュール２との積層体１１を挟んで互いに反対側に、２つの電子部品４（すなわち、電流センサ４１とコンデンサ４２）が、分かれて配置されている。

本形態において、積層体１１は、複数の半導体モジュール２と複数の冷却管３１とを交互に積層してなる。この積層体１１の積層方向を、以下において、適宜、Ｘ方向という。冷却管３１は、内部に冷媒を流通させる冷媒流路を有する。冷媒流路は、Ｘ方向に直交する方向に沿って形成されている。この冷媒流路の形成方向を、適宜、Ｙ方向という。また、Ｘ方向とＹ方向との双方に直交する方向を、適宜、Ｚ方向という。

半導体モジュール２を挟んで互いにＸ方向に隣り合う冷却管３１同士は、Ｙ方向の両端部付近において、互いに連結されている。冷却器３は、Ｘ方向の一端に、冷却プレート３１０を有する。冷却プレート３１０から、Ｘ方向の外側へ、冷媒導入管３２１及び冷媒排出管３２２が突出している。冷媒導入管３２１及び冷媒排出管３２２は、後述するケース５の外側へ突出している。

半導体モジュール２は、内部にスイッチング素子を内蔵している。スイッチング素子としては、例えば、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタの略）、ＭＯＳＦＥＴ（ＭＯＳ型電界効果トランジスタの略）を用いることができる。半導体モジュール２からは、パワー端子２１がＺ方向に突出している。

また、図２に示すごとく、半導体モジュール２は、パワー端子２１と反対側に、複数の信号端子２２を突出させている。これらの信号端子２２は、制御基板１５に接続されている。制御基板１５は、Ｚ方向に主面を向けた状態で、積層体１１に対向配置されている。

このように構成された積層体１１に対して、図１に示すごとく、Ｘ方向の一端側に、コネクタ接続バスバー７である入力バスバー７１が隣接配置されている。すなわち、冷却器３における、Ｘ方向の一端に配された冷却管３１に、放熱バスバー７０としての入力バスバー７１が隣接配置されている。

本形態の電力変換装置１は、半導体モジュール２、冷却器３、及び電子部品４を収容する金属製のケース５を有する。ケース５は、内部を区画する区隔壁５１を有する。区隔壁５１の一部が、放熱バスバー７０と冷却器３との間に介在している。

なお、冷却器３と放熱バスバー７０との隣接配置の状態は、冷却器３と放熱バスバー７０との間に、特に発熱部品や断熱部材等、電子部品の放熱を妨げる部品が配置されていない状態である。そして、冷却器３と区隔壁５１との間、又は、区隔壁５１と放熱バスバー７０との間に、空隙、或いは他の放熱バスバー７０等が存在していてもよい。或いは、区隔壁５１が冷却器３に接触していてもよい。

放熱バスバー７０は、主面７３を冷却器３に向けた状態で、冷却器３に隣接配置されている。
すなわち、コネクタ接続バスバー７は、図１、図３に示すごとく、一枚の金属板を曲げ加工して形成されている。そして、放熱バスバー７０である入力バスバー７１は、Ｙ方向に延びるように形成されたバスバー本体部７１０と、該バスバー本体部７１０の両端部に設けられたコネクタ側端子部７１１及びコンデンサ側端子部７１２とを有する。

コネクタ側端子部７１１は、ボルト７４によって、入力コネクタ６１と接続されている。また、コンデンサ側端子部７１２は、ボルト７４によって、コンデンサ４２の端子４２１と接続されている。コネクタ側端子部７１１及びコンデンサ側端子部７１２は、Ｚ方向に主面を向けた状態となっている。一方、バスバー本体部７１０は、Ｘ方向に主面７３を向けた状態となっている。そして、このバスバー本体部７１０の主面７３が、図１に示すごとく、Ｘ方向において、区隔壁５１を介して、冷却器３に対向している。

冷却器３は、放熱バスバー７０との隣接方向とは異なる方向において、電子部品４と隣接している。すなわち、本形態においては、冷却器３が、Ｙ方向において、コンデンサ４２に隣接している。また、電流センサ４１に対しても、冷却器３は、Ｙ方向において隣接している。冷却器３は、入力バスバー７１に対しても、コンデンサ４２に対しても、電流センサ４１に対しても、それぞれ区隔壁５１を介して隣接している。

ケース５は、例えば、アルミニウム等の金属からなる。図１〜図３に示すごとく、ケース５における、Ｙ方向の一方側の外側面に、２つの高圧コネクタ６（すなわち、入力コネクタ６１及び出力コネクタ６２）が固定されている。

上述のように、電力変換装置１は、高圧コネクタ６として、電源電力が入力される入力コネクタ６１と、出力電力を出力する出力コネクタ６２との双方を備えている。そして、区隔壁５１の一部は、入力コネクタ６１と出力コネクタ６２との間に介在している。
すなわち、複数の区隔壁５１のうち、Ｘ方向において、電流センサ４１と入力バスバー７１との間に配された区隔壁５１１がある。この区隔壁５１１が、Ｘ方向において、入力コネクタ６１と出力コネクタ６２との間に、介在している。より正確には、区隔壁５１１が、ケース５内において、入力コネクタ６１の端子６１ａと、出力コネクタ６２の端子６２ａとの間に介在している。

コンデンサ４２は、Ｙ方向において、積層体１１に対して、高圧コネクタ６が配置された側と反対側に配されている。
図１、図３に示すごとく、入力コネクタ６１は、一対の端子６１ａを備えている。一対の端子６２ａのそれぞれに接続された入力バスバー７１が、２本配置されている。出力コネクタ６２は、３本の端子６２ａを備えている。３本の端子６２ａのそれぞれに接続された出力バスバー７２が、３本配置されている。

図１、図２に示すごとく、コンデンサ４２は、入力バスバー７１と接続される端子４２１とは別の位置に設けた一対の端子４２２において、積層体１１における半導体モジュール２の一部のパワー端子２１に接続されている。図１においては、端子４２２とパワー端子２１との接続状態の図示は、省略してある。

また、積層体１１における半導体モジュール２の他のパワー端子２１は、出力バスバー７２を介して、出力コネクタ６２の端子６２ａに接続されている。出力バスバー７２は、複数本配置されている。出力バスバー７２は、複数の出力バスバー７２の周囲に、電流センサ４１が配置されている。電流センサ４１は、出力バスバー７２に、電気的又は磁気的に接続されている。すなわち、電流センサ４１は、半導体モジュール２と間接的に接続された電子部品４である。そして、電流センサ４１は、出力バスバー７２を流れる電流を検出することで、出力電流を検出することができる。なお、電流センサ４１は、熱的にも、出力バスバー７２に接続されている。

図２、図３に示すごとく、ケース５は、Ｚ方向に主面を向けたベースプレート５２を有する。また、ケース５は、ベースプレート５２の外周縁においてＺ方向に立設した外周壁部５３を有する。外周壁部５３は、ベースプレート５２に対して、Ｚ方向の両側に突出している。それゆえ、ベースプレート５２の両主面側に、それぞれ、外周壁部５３によって囲まれた空間が存在する。

図２に示すごとく、ベースプレート５２の一方面側に、積層体１１および複数の電子部品４が配置され、ベースプレート５２の他方面側に、制御基板１５が配置されている。Ｚ方向において、ベースプレート５２に対して積層体１１が配置された側を、便宜的に、上側といい、その反対側を下側という。ただし、これらの表現は、特に電力変換装置１の配置姿勢を限定するものではない。

ベースプレート５２には、部分的に開口部５２１が設けてある。開口部５２１を介して、半導体モジュール２の信号端子２２が制御基板１５に向って突出している。また、外周壁部５３の上端縁と下端縁には、それぞれ上側蓋部５４１と下側蓋部５４２とが固定されている。

区隔壁５１は、ベースプレート５２から、上側に立設している。図１に示すごとく、区隔壁５１には、Ｙ方向に主面を向けたものと、Ｘ方向に主面を向けたものとがある。Ｙ方向に主面を向けた２つの区隔壁５１が、それぞれ、積層体１１における、Ｙ方向の両側に配置されている。そして、これらの区隔壁５１を介して、それぞれ、電子部品４が積層体１１に対して隣接配置されている。すなわち、これらの区隔壁５１を介して、それぞれ電子部品４が冷却器３に隣接配置されている。本形態において、冷却器３及び電子部品４は、特に区隔壁５１に接触していないが、近接配置されている。

また、図１、図３に示すごとく、Ｘ方向に主面を向けた区隔壁５１を介して、積層体１１に対して入力バスバー７１が隣接配置されている。

図２、図３に示すごとく、区隔壁５１の上端縁の上側において、ケース５内の空間は連続している。この空間を介して、半導体モジュール２と電子部品４とが接続されている。

次に、本実施形態の作用効果につき説明する。
上記電力変換装置１においては、高圧コネクタ６と電子部品４との間を接続するコネクタ接続バスバー７の少なくとも一つが、冷却器３に隣接配置された放熱バスバー７０である。特に本形態においては、入力コネクタ６１とコンデンサ４２との間を接続する入力バスバー７１の一方が、放熱バスバー７０である。

それゆえ、入力コネクタ６１の熱が、入力バスバー７１（すなわち放熱バスバー７０）に伝わっても、その熱の少なくとも一部を、放熱バスバー７０から冷却器３へ放熱することができる。これにより、入力バスバー７１を介してコンデンサ４２へ伝わる熱を抑制することができる。その結果、コンデンサ４２の長寿命化を図ることができる。

冷却器３は、放熱バスバー７０との隣接方向とは異なる方向において、電子部品４と隣接している。特に本形態においては、冷却器３は、放熱バスバー７０である入力バスバー７１との隣接方向とは異なる方向において、コンデンサ４２及び電流センサ４１と隣接している。これにより、冷却器３の周囲に、入力バスバー７１と電子部品４とを、分散配置することとなる。その結果、入力バスバー７１と電子部品４との間の熱干渉を効果的に抑制すると共に、これらを効率的に冷却することができる。

また、放熱バスバー７０は、主面７３を冷却器３に向けた状態で、冷却器３に隣接配置されている。すなわち、本形態においては、放熱バスバー７０である入力バスバー７１のバスバー本体部７１０の主面７３が、冷却器３側を向いている。これにより、冷却器３に対する入力バスバー７１の対向面積を大きくしやすい。その結果、入力バスバー７１から冷却器３への放熱を、より効率的に行うことができる。

また、ケース５の区隔壁５１の一部が、放熱バスバー７０と冷却器３との間に介在している。本形態においては、特に、区隔壁５１が、放熱バスバー７０と冷却器３との間に介在している。これにより、金属製の区隔壁５１を介して、放熱バスバー７０の熱を、効率的に、冷却器３へ放熱することができる。

また、区隔壁５１１は、入力コネクタ６１と出力コネクタ６２との間に介在している。これにより、入力コネクタ６１と出力コネクタ６２との間の熱干渉を効果的に抑制することができる。これに伴い、例えば、入力コネクタ６１から電流センサ４１への熱の伝達を、抑制することができる。

以上のごとく、本実施形態によれば、電子部品の長寿命化を図ることができる電力変換装置を提供することができる。

（実施形態２）
本実施形態は、図４に示すごとく、放熱バスバー７０と冷却器３との間に区隔壁を介在させていない、電力変換装置１の形態である。
放熱バスバー７０である入力バスバー７１と冷却器３とは、互いに空隙を介して対向配置されている。なお、図４においては、半導体モジュール２と各バスバーとの接続は、省略してある。図５、図６においても同様である。

その他の構成は、実施形態１と同様である。なお、実施形態２以降において用いた符号のうち、既出の実施形態において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、既出の実施形態におけるものと同様の構成要素等を表す。

本形態においては、放熱バスバー７０を、冷却器３に、より近づけることができる。これにより、放熱バスバー７０から冷却器３への放熱性を向上させることができる。それゆえ、入力コネクタ６１から、放熱バスバー７０である入力バスバー７１を介してコンデンサ４２へ伝わる熱を、効果的に低減することができる。
その他、実施形態１と同様の作用効果を有する。

（実施形態３）
本実施形態の電力変換装置１は、図５に示すごとく、電子部品４としてリアクトル４３をさらに備えている。
そして、高圧コネクタ６である入力コネクタ６１と、リアクトル４３とが、コネクタ接続バスバー７である入力バスバー７１にて、接続されている。

本形態において、入力バスバー７１は、２本設けられ、１本の入力バスバー７１は、リアクトル４３に接続され、他方の入力バスバー７１は、コンデンサ４２に接続されている。これらの入力バスバー７１が、冷却器３に隣接配置された、放熱バスバー７０である。

リアクトル４３は、一対の端子４３１を有する。そして一方の端子４３１が、入力バスバー７１に接続され、他方の端子４３１がコンデンサ４２の端子４２１に接続されている。
その他の構成は、実施形態２と同様である。

本形態においては、入力コネクタ６１から入力バスバー７１を介してリアクトル４３へ伝わる熱を低減することができる。また、実施形態２と同様に、入力コネクタ６１から入力バスバー７１を介してリアクトル４３へ伝わる熱を低減することもできる。このように、入力コネクタ６１から入力バスバー７１を介して、コンデンサ４２及びリアクトル４３へ熱が伝わることを抑制することができる。それゆえ、コンデンサ４２及びリアクトル４３の長寿命化を図ることができる。
その他、実施形態１と同様の作用効果を有する。

（実施形態４）
本実施形態は、図６に示すごとく、出力バスバー７２を放熱バスバー７０とした、電力変換装置１の形態である。
本形態の電力変換装置１は、Ｙ方向において、出力コネクタ６２と、電流センサ４１とが、積層体１１に対して互いに反対側に配置されている。３本の出力バスバー７２は、出力コネクタ６２と電流センサ４１との間を繋ぐように、Ｙ方向に沿って配置されている。

そして、出力バスバー７２の一部が、Ｘ方向において、冷却器３に隣接配置されている。すなわち、本形態においては、出力バスバー７２が、放熱バスバー７０となる。

また、本形態においては、出力バスバー７２が、その主面７３を冷却器３に向けた状態で配置されている。出力バスバー７２は、主面７３がＸ方向を向いたバスバー本体部７２０を有する。このバスバー本体部７２０の主面７３が、Ｘ方向から、冷却器３に対向している。

また、本形態においては、コンデンサ４２が、入力コネクタ６１と積層体１１との間に配置されている。そして、入力バスバー７１における、入力コネクタ６１と電流センサ４１とを接続する部分は、Ｘ方向において、電流センサ４１を挟んで、冷却器３と反対側に配置されている。
その他の構成は、実施形態２と同様である。

本形態の場合には、出力コネクタ６２から出力バスバー７２を介して電流センサ４１へ伝わる熱を低減することができる。それゆえ、電流センサ４１の長寿命化を図ることができる。
その他、実施形態１と同様の作用効果を有する。

上記各実施形態を適宜組み合わせた形態とすることもできる。すなわち、上記実施形態以外にも、例えば、入力バスバーと出力バスバーとの双方が、放熱バスバーとなるよう構成することもできる。

本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の実施形態に適用することが可能である。

１ 電力変換装置
２ 半導体モジュール
３ 冷却器
４ 電子部品
６ 高圧コネクタ
７ コネクタ接続バスバー
７０ 放熱バスバー

Claims (5)

1. 半導体モジュール（２）と、
   上記半導体モジュールを冷却する冷却器（３）と、
   上記半導体モジュールと直接又は間接的に接続された電子部品（４）と、
   外部機器と接続される高圧コネクタ（６）と、
   上記高圧コネクタと上記電子部品との間を接続するコネクタ接続バスバー（７）と、を有し、
   上記コネクタ接続バスバーの少なくとも一つは、上記冷却器に隣接配置された放熱バスバーである、電力変換装置（１）。
2. 上記冷却器は、上記放熱バスバーとの隣接方向とは異なる方向において、上記電子部品と隣接している、請求項１に記載の電力変換装置。
3. 上記放熱バスバーは、主面（７３）を上記冷却器に向けた状態で、該冷却器に隣接配置されている、請求項１又は２に記載の電力変換装置。
4. 上記半導体モジュール、上記冷却器、及び上記電子部品を収容する金属製のケース（５）を有し、該ケースは、内部を区画する区隔壁（５１）を有し、該区隔壁の一部が、上記放熱バスバーと上記冷却器との間に介在している、請求項１〜３のいずれか一項に記載の電力変換装置。
5. 上記半導体モジュール、上記冷却器、及び上記電子部品を収容する金属製のケース（５）を有し、該ケースは、内部を区画する区隔壁（５１）を有し、
   上記高圧コネクタとして、電源電力が入力される入力コネクタ（６１）と、出力電力を出力する出力コネクタ（６２）との双方を備えており、
   上記区隔壁の一部（５１１）は、上記入力コネクタと上記出力コネクタとの間に介在している、請求項１〜４のいずれか一項に記載の電力変換装置。

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